CN218070543U - 一种半导体激光器及其应用的10g pon olt、otdr检测光模块和大容量数据通信光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体激光器及其应用的10G PON OLT、OTDR检测光模块和大容量数据通信光模块，所述半导体激光器单片集成有至少两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，从而在同一光路完成多波长激光器的信号输出与合波。半导体激光器中任意两个单纵模激光器之间可以设置有吸收区，各单纵模激光器的增益区可以相同也可以不同。这样极大的简化了光学子组件或光模块内光路控制方式，省去了其它现有方案所需的合波器、滤波片等光路控制组件，降低了实现成本，简化了封装工艺。

Description

一种半导体激光器及其应用的10G PON OLT、OTDR检测光模块 和大容量数据通信光模块

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器领域，具体涉及一种单片集成有多段串联的发光波长不同的单纵模激光器的半导体激光器及其应用。

背景技术

当前，光通信系统对芯片集成设计、器件及模块封装的高度集成化、小型化、低功耗等性能提出了更高的要求。不同的应用系统对光源的速率、波长等性能要求不同。在无源光网络(PON)中，目前较多采用的集成多个下行发射芯片的组合方式有几种，较常用方案是先分别独立封装入TO，再通过滤波片、耦合透镜等实现合波，然而这种方案存在损耗大、体积大、封装过程复杂等缺点。

对于发射端的多波长集成，还存在其它几种合波的方式，例如Box封装方案，将具有不同波长的激光器芯片LD各自独立贴片于过渡热沉之上，形成阵列排列，之后分别通过各自的准直透镜将输出光准直，各通道再通过基于空间光学的合波器合波，经隔离器、光路调节块、耦合透镜将光汇聚耦合至光纤。这种方案存在体积大、结构复杂、成本高，封装过程需要多次进行有源对光准直及耦合，封装工艺复杂难度高等缺陷。

另有一类基于激光器集成阵列芯片与平面波导合波器集成的方式，这种方式将Box封装方案中阵列排列，准直透镜和合波器的功能在一颗芯片上完成，但是此方案存在芯片制作难度大，需要有源无源集成工艺，芯片良率低、合波器损耗较大等问题是主要缺陷。

实用新型内容

本实用新型通过沿光场传播方向(纵向)级联多个波长激光器的方式形成多波长单片集成，从而在同一光路完成多波长激光器的信号输出与合波。应用涉及需要多个波长集成的领域，包括但不局限于混合无源光网络系统，光时域反射OTDR在线检测、数据通信波分复用系统、5G无线前传、激光雷达Lidar等。

本实用新型提供了一种半导体激光器，半导体激光器单片集成有至少两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，其中，靠近出光端面的单纵模激光器激射波长小于靠近背光端面的单纵模激光器激射波长，出光端面镀增透膜；单纵模激光器包括用于实现单纵模输出的光栅，每段单纵模激光器的发光波长在其它段的单纵模激光器的光栅的布拉格阻带之外；单纵模激光器的边模抑制比大于30dB；单纵模激光器采用直流或者直流加交流电信号泵浦。

优选地，光栅在有源区之下或有源区之上。

优选地，任意两个单纵模激光器之间设置有吸收区，吸收区中的光栅结构与相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器中的光栅结构相同，吸收区施加反偏电压或不施加电压。

优选地，同一种材料的增益范围可覆盖各段单纵模激光器的工作波长时，各段单纵模激光器增益区采用同一种材料，并采用相同的结构；否则，各段单纵模激光器增益区采用不同的材料和/或结构。

优选地，各段单纵模激光器包括独立的P电极，各段单纵模激光器的N 电极独立或者共用。

优选地，各段吸收区包括独立的P电极，其N电极与相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器共用。

优选地，所有吸收区和单纵模激光器共用N电极。

优选地，背光端面镀高反膜或增透膜，或者保持解理状态。

本实用新型还提出了一种基于上述半导体激光器的10G PON OLT，半导体激光器包括两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，两段单纵模激光器的发光波长的范围分别为1480-1500nm和1575-1580nm。

优选地，半导体激光器封装在一个TO-CAN中。

本实用新型还提出了一种基于上述半导体激光器的OTDR检测光模块，半导体激光器包括两段串联的发光波长不同的调制信号发生激光器与重复脉冲探测信号发生单纵模激光器。

本实用新型还提出了一种大容量数据通信光模块，其包括前述的半导体激光器。

本实用新型的有益效果在于，纵向级联集成方式使得各个工作波长可以在满足各自性能要求的情况下独立工作；极大的简化了光学子组件或光模块内光路控制方式，省去了其它现有方案所需的合波器、滤波片等光路控制组件，降低了实现成本，简化了封装工艺。

附图说明

图1(a)-(c)为本实用新型提出的沿光场传播方向依次级联的多段单纵模激光器；

图2(a)-(b)为实施例1中的双波长直接调制激光器发射芯片的截面图；

图3为实施例2的结构示意图

图4为实施例3的结构示意图。

图中：201-N型电极，201-1-N型第一电极，201-2-N型第二电极，202-N 型衬底，203-下包层，204-下分别限制层，205-应变多量子阱有源层，206- 上分别限制层，207-缓冲层，208-光栅层，209-上包层，210-脊波导，211-P 侧欧姆接触层，212-P型电极，212-1-P型第一电极，212-2-P型第二电极， 212-3-P型第三电极，213-前端面，214-1490nm增益段，215-第一电隔离沟道，216-1490nm吸收区，217-第二电隔离沟道，218-1577nm增益段，219-镀高反膜的背光端面，220、221、222-光栅。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

本实用新型提出了一种半导体激光器，其沿光场传播方向级联具有不同工作波长的多段单纵模半导体激光器。各段的工作波长即为各段的激射波长。

如图1(a)-(c)所示，半导体激光器沿光场传播z方向依次级联多段单纵模激光器。器件中各段均为单纵模工作，保证边模抑制比大于30dB，即只有一个主要激射波长。实现单纵模工作的方式采用包括但不局限于增益耦合分布反馈光栅、损耗耦合分布反馈光栅、折射率耦合型分布反馈相移光栅、非对称端面的折射率耦合型分布反馈均匀光栅等。保证单模工作的光栅层可以在有源区之下(N侧光栅)，也可在有源区之上(P侧光栅)。

器件的各段按工作波长的大小顺序排列逐次级联，如图1(a)所示，波长λ₁<λ₂<…<λ_n，n为整数。各段的工作波长间隔可以均匀也可以不均匀，每段的工作波长优选在所有其它波长段光栅的布拉格阻带之外。长波长一侧的增益区材料和结构设计以及注入水平调整为使得其材料增益吸收曲线对短波长基本透明。

在靠近最长工作波长一侧的端面根据应用可以选择合适的镀膜方式，例如高反膜、增透膜或保持解理状态等；靠近最短工作波长一侧的端面镀增透膜。各段具有独立的P侧电极和N侧电极，可单独注入电信号。可选地，级联的各段单纵模激光器的N侧电极合并共用。

可选地，各段不同工作波长可采用具有不同增益谱峰值的有源区结构，以分别对各个工作波长提供足够的增益。如果材料的有效增益范围可覆盖各段不同的工作波长，各段可采用同一增益区设计。

可选地，如图1(b)所示，相邻两段激光器之间可加入一段无电极吸收区，该区域保留相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器中的光栅层厚度、材料和结构。

无电极吸收区域用于吸收并反馈相对短波长一侧的信号，使得其对邻近的相对长波长工作段产生可以忽略的较小影响。更进一步，根据背光探测需求，可在此段无电极吸收区增加反偏电极，即P侧电极的施加电压小于N侧电极的电压，如图1(c)。可选地，根据应用，吸收区和其短波长一侧的N 侧电级可合并共用或者级联的所有段N侧电极可合并共用。

可选地，采用脊波导方式或掩埋异质结(BH)等方式实现器件的光场限制和载流子限制。

器件的生长材料体系无特别限制，可采用但不局限于InP/InGaAsP材料体系，InP/AlGaInAs材料体系，GaAs/InGaAs材料体系，GaAs/AlGaAs材料体系等。

值得说明的是，如下实施例中各应用提及的单个波长值为各应用要求的波长范围内的中心波长，因此下述实施例保护方案并不局限于提及的波长值，而是适用于应用波长范围内的任意值。

实施例1

现行各类10G PON OLT需要能够向下兼容，即同时支持传统低速ONU 及10G速率的ONU，通常采用将10G 1575-1580nm激光器与2.5G或1.25G 1480-1500nm激光器各自独立封装成TO-CAN形式，然后再结合各类滤波片通过空间光路的操控在OSA内进行分立器件的集成，完成两个波长的合波。在实施例1中，将这两个波长的激光器单片集成于同一器件，该方案将分立的两个LD TO-CAN中的两个波长的芯片单片集成至一颗芯片，并封装在同一个TO-CAN中，之后经耦合透镜直接耦合至光纤，省去了现有技术中发射部分的空间光路元件。

参见图2(a)和(b)，集成后的双波长直接调制激光器发射芯片的光场和载流子限制采用脊波导方式，芯片沿生长方向x方向由下到上依次包括 N型电极201、N型衬底202、下包层203、下分别限制层204、应变多量子阱有源层205、上分别限制层206、缓冲层207、光栅层208、上包层209、脊波导210、P侧欧姆接触层211、P型电极212。沿光场传播方向z方向从左到右依次为镀增透膜的前端面213、1490nm增益段214、第一电隔离沟道 215、1490nm吸收区216、第二电隔离沟道217、1577nm增益段218、镀高反膜的背光端面219。

增益段214和吸收区216的有源区相同，即量子阱结构和材料参数相同，增益峰值在1490nm附近。增益段218的量子阱结构和材料参数与增益段214 不同，增益峰值在1577nm附近。图2(a)中的光栅层208在图2(b)中沿 z方向刻蚀形成折射率耦合相移光栅以分别保证1490nm增益段214和增益段218的单模工作状态，但两段的光栅周期不同。1490nm段的光栅220具有周期P1，1577nm段的光栅222具有周期P2。1490nm吸收区216的光栅221周期与光栅220相同，为P1。沿z方向从左到右，器件的底部包括N型第一电极201-1和N型第二电极201-2；器件的顶部包括P型第一电极212-1、 P型第二电极212-2和P型第三电极212-3。

为了说明z方向主要性能参数差别，图2(b)中只画出了关键层在Z 方向的分布，主要包括电极层、应变多量子阱有源层(用阴影表示)以及光栅层。电隔离沟道215与217在图2(b)各段交界区域通过向下刻蚀P侧欧姆接触层211与部分脊波导210形成，从而完成各段注入的电隔离功能。图 2(a)的其它层在z方向为均匀分布，未在图2(b)中相应画出。

P型第一电极212-1和N型第一电极201-1在正偏情况下注入直流加交流电信号，P型第一电极212-1所施加的电压大于N型第一电极201-1，为 1490nm增益区提供泵浦源。该段产生的信号光向左从前端面213输出。P 型第二电极212-2和N型第一电极201-1采用反偏，即P型第二电极212-2 所施加的电压小于N型第一电极201-1，以形成对左侧1490nm信号的有效快速吸收。从而保证1490nm的光不进入1577nm增益区218并对其产生串扰；另一方面，此节可作为背光探测器(MPD)对1490nm信号进行背光探测。P型第三电极212-3和N型第二电极201-2在正偏情况下注入直流加交流电信号，即212-3所施加的电压大于201-2，为1577nm增益区提供泵浦源。产生的1577nm信号由于其带隙宽度远小于1490nm段的带隙宽度，几乎可无损耗的穿过1490nm段从端面213输出。

通过上述方式，本实用新型所提出的器件将1490nm和1577nm以相对独立工作的方式单片集成在一起，并在同一光路输出，以紧凑、低成本的方式完成了合波。

实施例2

为了实现在线OTDR检测，光模块需要集成信号波长和OTDR波长，在实施例2中，将这两个波长的激光器单片集成至同一芯片，使得集成OTD 功能的模块极大简化。此实施例中，传输信号的波长范围为1575-1580nm的直接调制激光器；OTDR检测信号的波长范围为1640-1660nm的重复脉冲发生激光器。此应用根据实际不同的检测场景可以为其它信号波长和OTDR波长。

参见图3，器件纵向依次级联了1577nm增益区、1577nm吸收区、1650nm 增益区，两个增益区施加正偏电压，吸收区施加反偏电压，左侧镀增透膜为出光端面，右侧镀高反膜为背光端面。1577nm的信号光从左侧出光，该信号向右被吸收区边吸收边反射，从而对1650nm激光器几乎不产生影响。 1650nm的信号光向左传输，以透明的状态或较低的损耗依次穿过左侧 1577nm吸收区，从出光面输出检测脉冲。

实施例3

400G、800G等大容量数据通信应用中采用基于波分复用系统的直流激光器加外调制方案，各波长激光器输出信号分别耦合至调制器后进行单独的调制，最后采用合波器合波。目前业界较多采用的是各通道波长激光器分立的形式，采用空间光路耦合的方式与后续调制、合波器件进行混合集成。

本实用新型所提出的集成方式可将直流工作的各波长通道激光器级联，此时，各通道P侧电极独立，N侧电极可合并共用。以两个波长为例，其级联方式如图4所示。根据波长通道间隔和考虑集成的通道数量，如最大波长范围不超过50～60nm，可采用相同增益区设计，否则须考虑采用各通道不同增益区设计。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器单片集成有至少两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，其中，靠近出光端面的单纵模激光器激射波长小于靠近背光端面的单纵模激光器激射波长，所述出光端面镀增透膜；所述单纵模激光器包括用于实现单纵模输出的光栅，每段单纵模激光器的发光波长在其它段的单纵模激光器的光栅的布拉格阻带之外；所述单纵模激光器的边模抑制比大于30dB；所述单纵模激光器采用直流或者直流加交流电信号泵浦。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光栅在有源区之下或有源区之上。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，任意两个单纵模激光器之间设置有吸收区，所述吸收区中的光栅结构与相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器中的光栅结构相同，所述吸收区施加反偏电压或不施加电压。

4.根据权利要求1-3任一所述的半导体激光器，其特征在于，同一种材料的增益范围可覆盖各段单纵模激光器的工作波长时，各段单纵模激光器增益区采用所述同一种材料，并采用相同的结构；否则，各段单纵模激光器增益区采用不同的材料和/或结构。

5.根据权利要求1-3任一所述的半导体激光器，其特征在于，各段单纵模激光器包括独立的P电极，各段单纵模激光器的N电极独立或者共用。

6.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，各段吸收区包括独立的P电极，其N电极与相邻两侧的单纵模激光器中较短发光波长侧的单纵模激光器共用。

7.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所有吸收区和单纵模激光器共用N电极。

8.根据权利要求1-3任一所述的半导体激光器，其特征在于，所述背光端面镀高反膜或增透膜，或者保持解理状态。

9.一种基于权利要求1-8任一所述的半导体激光器的10G PON OLT，其特征在于，所述半导体激光器包括两段串联的发光波长不同的单纵模激光器，两段单纵模激光器的发光波长的范围分别为1480-1500nm和1575-1580nm。

10.根据权利要求9所述的10G PON OLT，其特征在于，所述半导体激光器封装在一个TO-CAN中。

11.一种基于权利要求1-8任一所述的半导体激光器的OTDR检测光模块，其特征在于，所述半导体激光器包括两段串联的发光波长不同的调制信号发生激光器与重复脉冲探测信号发生激光器。

12.一种大容量数据通信光模块，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的半导体激光器。

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